Применение метода вихревых токов для контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций машиностроения при диагностике

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

4. Буйло С. И., Попов А. В. Акустико-эмиссионный метод оценки параметров процесса накопления повреждений в задаче прогнозирования ресурса изделий ответственного назначения. -Дефектоскопия. 2001. — № 9.
5. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г. Корн. Т. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. — 833с.
6. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — М.: Советское радио, 1974. — 552с.
7. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. — М.: Наука, 1991. — 380с.
Р. В. Сахабудинов, А.В. Чукарин
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ВИХРЕВЫХ ТОКОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПРИ
ДИАГНОСТИКЕ
В настоящее время метод вихревых токов применяется при неразрушающем контроле в металлообрабатывающей промышленности для обнаружения и классификации дефектов в изделиях, а также в качестве толщиномера [1, 2]. Теоретические основы метода, в том числе и резонансного метода измерения магнитных характеристик токопроводящих конструкций изложены в [3].
К параметрам, характеризующим напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции, в первую очередь, относятся деформации и возникающие при этом внутренние механические напряжения. Существуют различные методы экспериментального измерения НДС материала конструкций [1]. При этом наиболее отработанными считаются методы непосредственного измерения деформации материала, в первую очередь тензо-метрические [2, 3], а при необходимости определения механических напряжений производится их расчет по измеренным деформациям. Прямое же измерение механических напряжений менее отработано и может производиться оптическими методами для прозрачных сред, а также ультразвуковыми, рентгеновскими и радиационными для непрозрачных сред.
В данной работе предложено использовать метод вихревых токов для определения механических напряжений, возникающих в конструкционном материале под действием внешних нагрузок при проведении диагностики наиболее ответственных узлов и элементов конструкций машиностроения.
Представленное в работе устройство предназначено для прямого измерения механических напряжений в токопроводящих конструкциях на основе метода вихревых токов [6]. Вихретоковый измеритель позволяет обеспечить контроль внутренних напряжений в конструкциях при их длительной эксплуатации, в том числе и в агрессивных средах, в диапазоне от 0 до 100 МПа с погрешностью не более 100 Па. Отличительными чертами
измерителя являются компактность и сравнительно малая стоимость изготовления.
Электрическое сопротивление металлов Я, как правило, уменьшается при приложении к ним внешнего давления Р, так как плотность подвижных носителей заряда в единице объема возрастает. Относительное изменение электрического сопротивления металлов при сжатии определено в
[4]:
ЛЯ/Яд =[Я (Р) — Яо ] Яо, (1)
где Я0 — сопротивление металла в ненагруженном состоянии- Я (Р) — сопротивление металла при приложении гидростатического давления.
Изменение сопротивления токопроводящей конструкции при ее сжатии изменяет импеданс катушки индуктивности и соответственно индуктивность измерительного колебательного контура [3]:
Ь = ^2/1, (2)
где Цс — магнитная проницаемость материала конструкции, изменяемая при нагружении- А — площадь поперечного сечения катушки- I — средняя длина магнитной силовой линии- N — число витков катушки индуктивности.
Таким образом, проведя калибровку измерителя для конкретного материала можно неразрушающим методом определять величину механических напряжений, возникающих в элементах конструкций при эксплуатации и делать выводы о работоспособности объекта. Принцип работы измерителя приведен на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема работы вихретокового измерителя ГОС — генератор опорного сигнала- Ь — измерительная катушка индуктивнсти- С -подстроенный конденсатор резонансного контура- Ии — активное сопротивление нагрузки- ОУ — операционный усилитель- ДОУ — дифференциальный операционный усилитель- Г — гальванометр- Д — детектор- Б — внешняя механическая нагрузка- К1, К2 — ключи замыкания цепи.
Колебательный контур ЬС, состоящий из измерительной катушки индуктивности Ь и подстроечного конденсатора С, настроен в резонанс с частотой генератора опорных сигналов — ГОС. В резонансе (при ненагру-женном металлическом стержне) электрический ток, протекающий по активному сопротивлению нагрузки — Ян, минимальный и по фазе совпадает с напряжением опорного генератора. При сжатии стержня уменьшается его сопротивление и при этом в нем возрастает вихревая компонента электрического тока, что приводит к изменению магнитной проницаемости материала стержня и в конечном итоге — к изменению импеданса измерительной катушки индуктивности. Возрастание индуктивности в колебательном контуре приводит к увеличению электрического тока по сопротивлению Ян и отставанию его по фазе от напряжения ГОС. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки Ян усиливается операционным усилителем ОУ1 до величины напряжения ГОС. При ненагруженном стержне напряжение на выходе ОУ1 совпадает по фазе и амплитуде с напряжением ГОС. Оба напряжения подаются на входы дифференциального операционного усилителя — ДОУ. При ненагруженном состоянии стержня сигнал на выходе ДОУ отсутствует, так как напряжения на входах совпадают по фазе и амплитуде. Нагружение стержня приводит к рассогласованию входных напряжений и возникновению напряжения на выходе ДОУ. Этот сигнал, пропорциональный силовому воздействию на конструкцию, с выхода ДОУ усиливается одним — ОУ2 или двумя — ОУ2, ОУ3 операционными усилителями, в зависимости от степени нагружения металлического стержня, затем поступает в детектор — Д, где он выпрямляется и далее идет на гальванометр, калибровка которого проводится для соответствующего материала металлического стержня в единицах механического напряжения — [Па]. К измерителю прилагается таблица с зависимостью показаний гальванометра от соответствующих им значений механических напряжений для конкретного токопроводящего материала.
Глубина проникновения вихревых токов в материал конструкции определяется по зависимости [5]:
где у — удельная электропроводность- т — магнитная проницаемость- ю — частота ГОС.
Из (3) видно, что эффективная глубина контролируемого слоя конст -рукции может регулироваться выбором рабочей частоты — ю ГОС, таким образом, формируя интегральную характеристику механического напряжения в контролируемом объеме конструкции.
Измерительная катушка индуктивности с целью исключения влияния на нее других металлических конструкций и электрических полей помещается в специальный изолирующий металлический экран, изготовленный из отдельных изолированных друг от друга листов медной фольги, что уменьшает влияние вихревой составляющей электрического тока в металлическом экране. Измерительная катушка может плотно охватывать метал-
(3)
лическую конструкцию, как сделано в разработанном устройстве (рис. 1), а также может быть вплотную прижата к одной из поверхностей конструкции.
Принципиальная схема вихретокового измерителя разработана на типовых элементах и узлах [6].
Калибровка измерителя проводилась при помощи весового силоизмерительного датчика, нагружение образца и датчика осуществлялось на универсальной разрывной машине УММ-50 с номинальной нагрузкой 20 т, имеющей возможность проводить испытания образцов как на растяжение, так и на сжатие. Величина нагрузки фиксировалась по цифровому терминалу с точностью до 1 кг. Сжатию подвергались цилиндрические образцы из сталь-45 и алюминиевого сплава Д16Т диаметром 20 мм и длиной 30 мм, максимальная нагрузка достигала 12 тонн, что соответствует механическому напряжению в образце ст= 100 Мпа.
В диапазоне от 0 до 3 т работали оба выходные усилителя ОУ2, ОУ3, от 3 до 12 т оконечный усилитель сигнала ОУ3 отключался. На интервале 0−3 т выходной сигнал изменялся от 100 мВ до 3 В, а на интервале 3−12 т от 60 мВ до 2,5 В. Градуировка гальванометра проводилась при нагрузке: 0, 100, 500 кг и далее до 12 т с шагом через 1 т с точностью измерения 1 кг. Результаты экспериментальных исследований зависимости показаний гальванометра от внешнего давления на образец представлены в табл. 1.
Таблица 1
Показания гальванометра, мВ 1 1,5 2,3 3 4,2 4,8 5,0 5,3 5,4 5,9 6,1 6,2 6,4 6,5
Механическое напряжение, 106 Па 0,1 0,2 0,5 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Более высокой точности измерения можно достигнуть, сужая диапазон измерения усилий, а также совершенствуя схему преобразования сигнала, уменьшая до минимума шумы и помехи.
Измерение и обработка полученных экспериментальных данных проводились при помощи сопряжения измерителя с осциллографом С1−137/2 и ПЭВМ с программным обеспечением, разработанным в средах БеШ и МаЛСа^
По результатам эксперимента (табл. 1) построена зависимость, представленная на рис. 2.
с, МПа
Рис. 2. Зависимость механического напряжения в образце при его осевом сжатии от показаний гальванометра
Представленная на рис. 2 кривая была аппроксимирована экспоненциальной зависимостью следующего вида:
и (и) = А ¦ ехрК'-и, (4)
где, А и К — эмпирические коэффициенты: А=0. 47- К=0. 82- а (и) — механическое напряжение в образце как функция от показаний гальванометра [МПа]- и — показания гальванометра [мВ].
Таким образом, возможно получение целого ряда эмпирических за -висимостей вида (4) для определенного конструкционного материала, что позволит определять механические напряжения, возникающие в материале конструкции и делать выводы о её рабочем состоянии.
Представленный в настоящей работе вихретоковый измеритель для определения механических напряжений в конструкционных материалах может быть использован при диагностике и контроле состояния наиболее ответственных узлов и элементов конструкций машиностроения, подверженных механическим нагрузкам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Серьезнов А. Н., Шашурин А. И. Методы и средства измерений в прочностном эксперименте. -М.: МАИ, 1990.
2. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. -М.: Мир, 1990.
3. ПреображенскийА.А., БишардЕ.Г. Магнитные материалы и элементы. -М.: Высшая школа, 1986.
4. Физические величины: Справочник- Под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. З. -М.: Энергоиздат, 1991.
5. Экспериментальная механика. Кн. II. / Под ред. А. Кобаяси. В 2-х книгах. -М.: Мир, 1990.
6. Долгополый В. Н., Сахабудинов Р. В., Чукарин А. В., Тихомиров А. Г. Вихретоковый измеритель механических напряжений в электропроводящих конструкциях // Современные проблемы механики сплошной среды. Труды VII Международной конференции памяти академика РАН И. И. Воровича, Ростов-на-Дону. Т.1. 2001. -С. 52−54.
А. А. Строцев, С. А. Фунтиков, С.В. Синицын
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕЛИ СМЕШАННОГО РАСШИРЕНИЯ МАТРИЧНЫХ ИГР НЕКЛАССИЧЕСКОГО ТИПА К ЗАДАЧАМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ «МПОГОПОЗИЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА — ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ»
Рассмотренный научно-методический аппарат смешанного расширения матричных игр неклассического типа эффективно может быть применён при решении различных задач оптимизации управления поиском и наблюдениями в многопозиционных информационных системах (МИС) в условиях конфликта [1,2].
Следует отметить, что реальное применение других моделей описания конфликтной ситуации значительно затруднено. В частности, к рассматриваемой конфликтной ситуации теоретически можно применить модели теории дифференциальных игр. Однако получить аналитическое решение для данной задачи в силу её сложности невозможно, а наиболее общий подход к численному решению дифференциальной игры состоит в применении метода динамического программирования в сочетании с той или иной дискретизацией непрерывного процесса. Основная трудность численного решения подобных задач состоит в их многомерности. Поэтому в случае игр нелинейных объектов с большой размерностью обобщённого фазового вектора численное определение оптимальных стратегий весьма проблематично даже при использовании современных ЭВМ.
С другой стороны, классические модели конечных антагонистических игр также имеют определённые ограничения при применении к задачам оптимального управления МИС.
Так, для применения модели матричных игр в чистых стратегиях требуется наличие хотя бы одной седловой точки в матрице игры. Однако наличие седловых точек в матрице игры на практике означает, что игроки имеют такие варианты своих стратегий, что игрок, отклонившийся от неё, получит в процессе реализации игровой ситуации результат хуже [3]. Это, в свою очередь, означает, что путём взаимного последовательного доминирования стратегий в соответствии с методом множеств Парето [4] у игроков должно остаться только по одной стратегии (при наличии одной сед-ловой точки). Но развитие систем вооружения происходит как взаимный процесс создания средств нападения (вариантов применения средств нападения) и защиты от этих средств (вариантов). Следовательно, на каждую стратегию одного игрока, другой игрок формирует свою стратегию наи-

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой